太阳持续向太空释放快速流动的带电粒子，这种现象被称为太阳风。地球因其全球磁场在很大程度上受到了这种流动的保护，但火星没有可比拟的屏障。这使得该行星的上层大气暴露在外，允许太阳风将大气粒子击走并带入太空。由波士顿大学领导并发表在《科学进展》上的一项新研究表明，这种大气损失可以类似于风在水面上移动的情况。在地球上，风在水面上经过时可以创造出滚动的波浪和旋转的涡旋。在火星上，太阳风似乎通过“搅动”上层大气的外边界产生了类似的效果。这种相互作用产生了被称为凯尔文-亥姆霍兹波的巨大边界波。第一作者张驰，波士顿大学太空物理中心的研究科学家，与同事们一起分析了来自MAVEN和天问一号任务的数据。天问一号在到达火星之前测量了到达的太阳风，而MAVEN追踪了在行星附近逃逸的大气离子。通过结合这两组观察，研究人员能够直接比较变化的太阳风条件与火星大气粒子逃逸到太空的运动。两艘航天器揭示了大气逃逸 最上层大气中的巨大等离子云可以产生研究人员所称的“总体逃逸”的大气离子。科学家们之前提出了几种可能的解释，说明这些云是如何形成的，但它们的来源仍不确定，因为直接证据有限。一个主要的障碍是单个航天器无法同时观察到火星上游未受到干扰的太阳风，同时测量在行星附近逃逸的大气离子。在之前一项发表在《自然通讯》上的研究中，张驰和他的同事表明，MAVEN和天问一号的同时测量可以将进入的太阳风变化与火星周围的条件联系起来。新的《科学进展》研究在该工作基础上，确定了凯尔文-亥姆霍兹波作为大气离子损失的一个重要机制。研究人员发现这些波产生了与大气逃逸相关的大型等离子云的明确证据。他们还发现这一过程在火星上并不是均匀分布的。“相反，它主要在行星的一侧被观察到，具体取决于太阳风电场的方向，”张驰说。这些发现直接联系了凯尔文-亥姆霍兹波及火星大气离子逃逸的增加。测量造成火星逃逸的波浪 “未来的研究将重点确定有利于凯尔文-亥姆霍兹波的形成和生长的条件，并确定它们对火星大气逃逸的贡献程度，”张驰指出。回答这些问题将需要额外的航天器测量和先进的计算机模拟。MAVEN目前正朝着任务结束阶段发展，但研究人员期待未来的任务将继续这一工作。“它丰富的科学遗产将由NASA的ESCAPADE任务补充，该任务已经发射并将为调查火星的太阳风驱动大气损失提供重要的新机会，”张驰说。“我们想知道这些波最有可能在何时形成，如何发展，以及它们对大气逃逸的驱动强度，”波士顿大学太空物理中心的教员及文理学院天文学助理教授董川飞表示。“这一过程也可能发生在其他缺乏强磁场的行星上，包括一些系外行星。” 火星失去宜居性的线索 理解大气逃逸可能有助于解释火星在其历史上经历的剧变。“人们认为火星曾经可能适宜居住，拥有更厚的大气和液态水的表面。理解它是如何变成我们今天看到的寒冷、干燥的行星，对于理解行星环境如何随时间演变非常重要，”张驰说。